量子压缩技术提升光频梳光谱型气体传感器检测速度和灵敏度
2025-06-28 21:28:29   来源:麦姆斯咨询   评论:0   点击:

通过量子压缩技术来微调光频梳激光器特性的创新方法,使光谱型气体传感器识别大气中甲烷等气体及病毒迹象的速度提升了一倍。该技术不仅加快了检测速度,还降低了误差,有望为安全与健康监测领域带来重大进展。

通过量子压缩技术来微调光频梳激光器特性的创新方法,使光谱型气体传感器识别大气中甲烷等气体及病毒迹象的速度提升了一倍。该技术不仅加快了检测速度,还降低了误差,有望为安全与健康监测领域带来重大进展。

传感领域中的量子压缩技术

打造更好量子传感器的诀窍是什么?只需对其稍作“压缩”。

近期,科学家们通过量子压缩技术提升光频梳激光器的性能,在量子传感领域取得了重大突破。光频梳激光器堪称气体分子的“指纹扫描仪”,已被用于检测石油和天然气作业中的甲烷泄漏,以及从人类呼吸样本中识别新冠病毒(COVID-19)迹象。

量子压缩技术提升气体检测速度

据麦姆斯咨询报道,近期,美国科罗拉多大学博尔德分校与加拿大拉瓦尔大学的研究人员展开合作,通过一系列的实验室实验,证实了一种能让光谱型气体传感器更灵敏、检测速度更快的方法。该方法使光频梳光谱仪的检测速度提升了一倍,为更快速、更精准的气体测量铺平了道路。

科罗拉多大学博尔德分校电气、计算机与能源工程系教授Scott Diddams说:“试想在工厂场景中需要检测微量危险气体泄漏的情况。10分钟与20分钟的检测时长差异,在保障人员安全方面会产生极大的不同。”

相关研究成果以“Squeezed dual-comb spectroscopy”为题发表在Science期刊上。该研究由ECEE(国际电工委员会电工产品合格测试与认证组织)博士后研究员Daniel Herman牵头完成。

Scott Diddams(左)与研究生在学校量子工程实验室进行研究工作

Scott Diddams(左)与研究生在学校量子工程实验室进行研究工作

光频梳技术的开创性进展

普通激光器仅发射单一颜色的光,而光频梳激光器能同时发出数千至数百万种颜色(频率)的脉冲。在该研究中,科研人员使用普通光纤对激光器发出的脉冲进行精确调控,实现了对光量子的“压缩”,使光的部分特性更精准,另一部分则更具随机性。

换句话说,这项研究工作意味着人类在克服宇宙微观尺度下的自然随机性与波动方面取得了胜利。

Scott Diddams说:“克服量子不确定性并非易事,也需要付出代价,但这对于强大的新型量子传感器而言,无疑是关键的一步。”

 LongPath Technologies公司研发的光频梳光谱型气体传感器。该公司由科罗拉多大学博尔德分校的研究人员创立,其传感器可实时监测石油和气体设备的甲烷泄漏。

LongPath Technologies公司研发的光频梳光谱型气体传感器。该公司由科罗拉多大学博尔德分校的研究人员创立,其传感器可实时监测石油和气体设备的甲烷泄漏。

通过压缩光克服量子不确定性难题

该研究成果标志着光频梳技术发展的最新进展。光频梳技术诞生于科罗拉多大学博尔德分校和美国国家标准与技术研究院(NIST)联合成立的天体物理联合研究所(JILA)。20世纪90年代末,Scott Diddams是天体物理联合研究所Jan Hall领导的团队的一员,该团队率先研发出光频梳激光器。2005年,Jan Hall因这项成果荣获诺贝尔物理学奖。

当激光脉冲穿过大气层时,途中的分子会吸收特定颜色的光,而不会吸收其它颜色的光。科学家可根据激光中消失的颜色判断空气中的物质成分。这就像一把梳子掉了几个梳齿——“频率梳”由此得名。

但Scott Diddams表示,基于频率梳的测量存在固有的不确定性。他解释到,光束由被称为“光子”的微小粒子组成。尽管激光从外部看是有序的,但其单个光子的运动却毫无规律。

Scott Diddams表示:“探测光子时,它们不会以每纳秒一个这样完全均匀的速度到达,相反,他们是随机出现的。”这就导致光频梳传感器返回的数据出现他所说的“模糊性”。为此,量子压缩技术应运而生。

光频梳光谱型气体传感器的工作原理示意图:左图为激光器发射多种不同颜色的光脉冲,右图为空气中的分子吸收部分颜色的光,科学家可根据消失颜色的光谱信息来识别空气中的分子。

光频梳光谱型气体传感器的工作原理示意图:左图为激光器发射多种不同颜色的光脉冲,右图为空气中的分子吸收部分颜色的光,科学家可根据消失颜色的光谱信息来识别空气中的分子。

量子压缩技术在光子计时中的应用

在量子物理学中,某些属性相互关联,高精度测量其中一项,会导致另一项的测量精度下降。一个众所周知的例子是电子的速度和位置——可以确定电子的位置或运动速度的任何一项,但无法同时精准测量两者。量子压缩技术,通过牺牲某一属性的精度,换取另一属性的高精度,使科学家能够进行更有针对性、更具价值的测量。

在一系列实验室的实验中,Scott Diddams和他的同事们以一种出乎意料的简单方式实现了这一目标:他们让光频梳光脉冲通过普通光纤传输。这种光纤与家中传输互联网的光纤并无太大差异。

光纤结构以恰到好处的方式改变了光的特性,使激光器发射出的光子能够以更规律的间隔到达。但这种有序性的提升是有代价的:测量光的频率(即光子如何振荡产生特定颜色)变得稍显困难。

然而,这种取舍使研究人员检测气体分子的误差率远低于以往。

研究团队在实验室里用硫化氢样本测试了这种方法,硫化氢是一种在火山喷发中很常见的分子,气味类似臭鸡蛋。结果显示,利用量子压缩光频梳技术检测这类分子的速度约为传统设备的两倍。研究人员在红外光范围内实现的压缩效果,是此前科学家所能达到水平的1000倍左右。

不过,将这款光频梳光谱型气体传感器投入使用之前,该团队还有很多工作要做。

Daniel Herman说:“但我们的研究表明,我们比以往任何时候都更接近于在现实场景中应用光频梳。”

Scott Diddams对此表示认同:“科学家将这一现象称为‘量子加速’。我们成功调控了量子力学中的基本不确定性关系,从而实现更快速、更精准的测量。”

论文链接:https://www.science.org/doi/10.1126/science.ads6292

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